阻燃硅烷交联聚乙烯电缆料的制备与性能研究

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硅烷交联聚乙烯由于具有良好的力学性能、耐热性、耐候性以及电绝缘性而逐渐取代普通聚乙烯和聚氯乙烯成为新的电线电缆材料。然而经过硅烷交联的聚乙烯依然属于易燃材料,燃烧时会伴随熔滴而使火焰蔓延。因此针对提高硅烷交联聚乙烯的阻燃性能,对于扩大其在电线电缆以及其他方面的应用有重要意义。硅烷交联聚乙烯一般由硅烷接枝聚乙烯母料(A料)和催化剂聚乙烯母料(B料)混合成型后经高温水浴而实现交联。将硅烷接枝到聚乙烯链上相当于在聚乙烯分子中引入可反应基团。9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)作为一种新型含磷阻燃剂及反应中间体,其衍生物广泛应用于多种聚合物材料的阻燃,同时又以热固性聚合物的反应型阻燃为主。本文针对提高硅烷交联聚乙烯的阻燃性能采取两种方式。(一)使用溴锑阻燃母料阻燃。选择十溴二苯乙烷与三氧化二锑复配阻燃剂与低密度聚乙烯(LDPE)共混制备阻燃母料,并与A料、B料共混成型,经水浴交联后得到阻燃硅烷交联聚乙烯。确定阻燃母料适宜的阻燃剂用量,研究并讨论使用阻燃母料后阻燃剂用量对硅烷交联聚乙烯的阻燃性能、力学性能、热稳定性、结晶性能、流变性能、交联度等的影响;讨论抗滴落剂的加入对阻燃硅烷交联聚乙烯力学性能与阻燃性能的影响。结果表明:阻燃母料中阻燃剂用量为70wt%时容易加工,能达到较佳阻燃效果;当阻燃剂用量为24wt%时,所制备的阻燃硅烷交联聚乙烯极限氧指数(LOI)达到29,顺利通过UL-94V-0级别,同时拉伸强度与断裂伸长率分别为15.2MPa和115%,比不加阻燃母料时仅下降5.6%和20%;阻燃母料的引入使硅烷交联聚乙烯交联度略有增加,对试样的结晶性能影响较小,同时能延缓A料与B料共混后预交联的发生;抗滴落剂与阻燃母料的复配反而使材料阻燃性能下降。(二)使用反应型无卤阻燃剂阻燃。合成两种DOPO衍生物,带有硅烷氧基的DOPO-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷(DA25)和带有羟基的DOPO-甲醛(ODOPM),用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)和氢、碳、磷核磁共振光谱(1H-NMR、13C-NMR、31P-NMR)表征并确定两者的化学结构。分别将两者与A料、B料共混后经过水浴交联制备反应型阻燃硅烷交联聚乙烯。研究并讨论了DOPO衍生物用量对硅烷交联聚乙烯的阻燃性能、力学性能、热稳定性等的影响。结果表明,30wt%的ODOPM能使硅烷交联聚乙烯LOI从19提高到25,并通过UL-94V-0阻燃级别,而DA25在添加量达到30wt%时仍不能使硅烷交联聚乙烯阻燃。两者均使硅烷交联聚乙烯的力学性能发生较大程度的下降,同时热稳定性略有降低。针对具有阻燃效果的ODOPM研究其对硅烷交联聚乙烯的交联度、结晶度、动态力学性能的影响,并初步分析了ODOPM对硅烷交联聚乙烯的阻燃机理。通过交联度测定与DSC分析发现,ODOPM添加量从0wt%增加到30wt%时硅烷交联聚乙烯的交联度由65%下降到60%,结晶度由35%增加到40%,由DMA测试结果分析推断ODOPM在水浴交联前与硅烷发生脱水缩合反应,随着交联时间的延长又重新解离。TG-FTIR结果表明ODOPM在硅烷交联聚乙烯体系中主要表现为气相阻燃机理。
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